機器人課程設計報告范例.

1、*學校機器人課程設計名稱院系電子信息工程系班級10電氣3姓名學號107301336指導教師宋佳目錄第一章 緒論 21.1 課程設計任務背景 21.2 課程設計的要求 2第二章硬件設計 32.1 結構設計 32.2 電機驅動 42.3 傳感器 52.3.1 光強傳感器 52.3.2 光強傳感器原理 62.4 硬件搭建 6第三章 軟件設計 83.1 步態(tài)設計 83.1.1 步態(tài)分析： 83.1.2 程序邏輯圖： 93.2 用 NorthStar 設計的程序 9第四章 總結 11第五章 參考文獻 1212第一章 緒論1.1 課程設計任務背景機器人由機械部分、 傳感部分、 控制部分三大部分組成 這三大

2、部分可分成 驅動系統(tǒng)、機械結構系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人一環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、 控制系統(tǒng)六個子系統(tǒng)現(xiàn)在機器人普遍用于工業(yè)自動化領域， 如汽車制造， 醫(yī)療領 域，如遠程協(xié)助機器人， 微納米機器人， 軍事領域， 如單兵機器人， 拆彈機器人， 小型偵查機器人（也屬于無人機吧） ，美國大狗這樣的多用途負重機器人，科研 勘探領域， 如水下勘探機器人， 地震廢墟等的用于搜查的機器人， 煤礦利用的機 器人。如今機器人發(fā)展的特點可概括為：橫向上，應用面越來越寬。由 95% 的工業(yè)應用擴展到更多領域的非工業(yè)應用。像做手術、采摘水果、剪枝、巷 道掘進、偵查、排雷，還有空間機器人、潛海機器人。機器人應用無限制，

3、 只要能想到的，就可以去創(chuàng)造實現(xiàn)； 縱向上，機器人的種類會越來越多， 像進入人體的微型機器人， 已成為一個新方向， 可以小到像一個米粒般大小； 機器人智能化得到加強，機器人會更加聰明1.2 課程設計的要求設計一個機器人系統(tǒng)，該機器人可以是輪式、足式、車型、人型，也可以 是仿其他生物的，但該機器人應具備的基本功能為：能夠靈活行進，能感知光 源、轉向光源并跟蹤光源；另外還應具備一項其他功能，該功能可自選（如亮 燈、按鈕啟動、紅外接近停止等） 。具體要求如下：1、根據(jù)功能要求進行機械構型設計，并用實訓套件搭建實物。2、基于實訓套件選定滿足功能要求的傳感器；3、設計追光策略及運動步態(tài)；4、用 Nort

4、hStar 設計完整的機器人追光程序；5、調試；6、完成課程設計說明書，內(nèi)容：方案設計、硬件搭建過程（附照片） 、控制 算法流程、程序編寫、調試結果、心得體會。圖2.1舵機第二章硬件設計機器人的硬件主要包括主控板、電機以及傳感器。我們需要搭建的系統(tǒng)就是一個 能自動平衡的機器人，并不需要能夠載人，所有Segwa的系統(tǒng)對我們而言是有參 考價值的，根據(jù)設計是系統(tǒng)要求，該方案的選材及控制如下。2.1結構設計1）MultiFLEX2-AVR 控制器，1 塊;2）多功能調試器和線，1套；3）光強傳感器，2個；4）舵機，8個；5）連接件，若干舵機:控制器:2.2 電機驅動驅動系統(tǒng)是向機械結構系統(tǒng)提供動力的裝

5、置。采用的動力源不同，驅動系 統(tǒng)的傳動方式也就不同。驅動系統(tǒng)的傳動方式主要有四種：液壓式、氣壓式、 電氣式和機械式。電力驅動是目前使用最多的一種驅動方式，其特點是電源取 用方便，響應快，驅動力大，信號檢測、傳遞、處理方便，并可以采用多種靈 活的控制方式，驅動電機一般采用步進電機或伺服電機，目前也有采用直接驅 動電機，但是造價較高，控制也較為復雜。電動機也稱電機（俗稱馬達），在電路中用字母“ M （舊標準用“ D”）表 示。它的主要作用是產(chǎn)生驅動轉矩， 作為用電器或各種機械的動力源。 電動機按 結構及工作原理可分為直流電動機， 異步電動機和同步電動機。 同步電動機還可 分為永磁同步電動機、 磁阻

6、同步電動機和磁滯同布電動機。 異步電動機可分為感 應電動機和交流換向器電動機。 直流電動機按結構及工作原理可分為無刷直流電 動機和有刷直流電動機。舵機是遙控模型控制動作的動力來源， 不同類型的遙控模型所需的舵機種類 也隨之不同。舵機主要是由外殼、電路板、無核心馬達、齒輪與位置檢測器所構成。其工 作原理是由接收機發(fā)出訊號給舵機，經(jīng)由電路板上的 IC 判斷轉動方向，再驅動 無核心馬達開始轉動， 透過減速齒輪將動力傳至擺臂， 同時由位置檢測器送回訊 號，判斷是否已經(jīng)到達定位。 位置檢測器其實就是可變電阻， 當舵機轉動時電阻 值也會隨之改變， 藉由檢測電阻值便可知轉動的角度。 一般的伺服馬達是將細銅

7、線纏繞在三極轉子上， 當電流流經(jīng)線圈時便會產(chǎn)生磁場， 與轉子外圍的磁鐵產(chǎn)生 排斥作用，進而產(chǎn)生轉動的作用力。伺服電動機又稱執(zhí)行電動機， 在自動控制系統(tǒng)中， 用作執(zhí)行元件， 把所收到 的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。 分為直流和交流伺服電動機 兩大類，其主要特點是， 當信號電壓為零時無自轉現(xiàn)象， 轉速隨著轉矩的增加而 勻速下降，伺服電機內(nèi)部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的 U /V /W 三相電形成電 磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器， 驅動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較， 調整轉子轉動的角度。 伺服電機的精度決 定于編碼器的精度（線數(shù)）。2.3傳感器

8、傳感器是自動化系統(tǒng)和機器人技術中的關鍵部件， 作為系統(tǒng)中的一個結構組 成，其重要性變得越來越明顯。傳感器技術它綜合了多方面的知識， 在近幾年體 現(xiàn)尤為突出。人類具有五種感覺（視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺）。機器人需要 通過傳感器得到這些感覺信息。目前機器人只具有視覺、聽覺和觸覺，這些感覺 是通過相應傳感器得到的。機器人傳感器根據(jù)檢測對象的不同可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。a. 內(nèi)部傳感器：用來檢測機器人本身狀態(tài)（如手臂間角度）的傳感器。多為 檢測位置和角度的傳感器。b. 外部傳感器：用來檢測機器人所處環(huán)境（如是什么物體，離物體的距離有 多遠等）及狀況（如抓取的物體是否滑落）的傳感器。具體有物體

9、識別傳感器、 物體探傷傳感器、接近覺傳感器、距離傳感器、力覺傳感器，聽覺傳感器等。2.3.1光強傳感器光強傳感器是一種感應光的強弱并進行顯示、處理的測量裝置。使它可以完 成多種光學實驗，諸如比較光強和距離的關系；研究光的干涉、衍射、偏振；在 不同光源下測量光的相對強弱；研究不同光源的明、暗變化等。常用于生物、化 學實驗中。光強傳感器對可見光波長的光照強度很敏感，其核心元件是一只 光敏電阻其輸出的信號為與光強相關的模擬信號，光強傳感器對可見光波 長的光照強度很敏感，其核心元件是一只光敏電阻，光強傳感器的外觀如 圖2.3所示。圖2.3光強傳感器光傳感器是利用光敏元件將光信號轉換為電信號的傳感器，它

10、的敏 感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光傳感器不只 局限于對光的探測，它還可以作為探測元件組成其他傳感器，對許多非電 量進行檢測，只要將這些非電量轉換為光信號的變化即可。光傳感器是目 前產(chǎn)量最多、應用最廣的傳感器之一，它在自動控制和非電量電測技術中 占有非常重要的地位。最簡單的光敏傳感器是光敏電阻，當光子沖擊接合 處就會產(chǎn)生電流。2.3.2光強傳感器原理利用光敏元件可將光信號的特點，將柴油機燃燒室內(nèi)著火燃燒時火焰光輻射信號轉換為電信號而反映出柴油機的燃燒情況。下圖2.4為光強傳感器的原理isi光軽傳光電池弋電(*)弋敏二般管光電撈瓠尿理圖2.4強傳感器的原理圖 光強傳感器應

11、用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象環(huán)保等工作中，光照強度是環(huán)境監(jiān)測中的重要參數(shù)。 尤其 是在溫室大棚中，光強對作物有著決定性的作用。所以光強傳感器應用于室內(nèi)光 照度的測定，光源強度與距離間關系的研究。2.4硬件搭建1、安裝底盤和舵機架，安裝舵機時需要注意其兩端并不完全對稱，需要其實際 情況來裝配舵機，以保證輪子的對稱分布。2、安裝舵機，將舵機裝入舵機架中用螺絲釘固定。3、安裝橡膠輪，用LZ4連接件安裝輪子，并用螺絲釘固定。4、修改ID號，取出多功能調試器和電源，連接好左前輪舵機。查看端口號并打開串口， “我的電腦”點右鍵，選擇“管理”選擇“設備管理器” 選擇“端口 COM和LPT,即可看到端口號“ USBSe

12、rial Port (C0M1)白端口 (COM和LPT)壬 U5B5erial Port (COML)LJJ GT上1 睡g 05、組裝機械手，在這里組裝的是一個3自由度的機械手，即手掌、腕關節(jié)和肘關 節(jié)。6安裝光敏傳感器、紅外接近傳感器、控制器和LED丁到上底板上。7、接線，將光敏傳感器10101010，紅外接近傳感器接到109, LED丁分別接到 100103。將輪子上的4個舵機兩兩相連，。連接好多功能調節(jié)器，控制器和PC機，將直流穩(wěn)壓電源連接到控制器，搭建好的輪形機器人如下圖2.5所示。圖2.5輪式機器人第三章 軟件設計3.1 步態(tài)設計3.1.1 步態(tài)分析 ：輪式機器人前進分為五步，

13、第一步，前進，； 第二步，左轉； 第三步，右轉； 第四步，前進；第五步，重復第一步，實現(xiàn)循環(huán)。 追光的步態(tài)設計：在獲取了兩側的光強數(shù)值后， 便可以開始設計程序的邏輯框架。 將情況分為 3種：狀況一，左側光比右側光強； 狀況二，左側光比右側弱， 狀況三，左右側光強近似相等。 這三種情況在邏輯上較好區(qū)分， 并且覆蓋了所有 可能出現(xiàn)的狀態(tài)。在程序的主程序里，用三個條件來區(qū)分這三種情況。 作為左右光強比較的中間變量， 對兩側光強的差值 Diff 進行計算： Diff=Left-Right,三種狀況的區(qū)分將圍繞差值 Diff 進行： 狀況一，左側光強比右側光強： Diff50 狀況二，左側光強比右側光弱

14、： Diff50 狀況三，左側光強與右側光接近相等： Diff=50 在判斷條件里， 使用50這個數(shù)值，是考慮到不同的光強傳感器采集同樣的光照強 度數(shù)據(jù)可能存在著差異，因此給出一個區(qū)間而不是一個數(shù)據(jù)3.1.2程序邏輯圖:根據(jù)該項目的設計要求在畫程序流程圖時應對程序有一定的分析，分析后得到如下圖3.1所示的程序邏輯圖。圖3.1程序邏輯3.2用NorthStar設計的程序根據(jù)要求編寫機器人追光的程序邏輯圖但在編寫程序時應注意舵機中參數(shù) 的設計和舵機調試是ID參數(shù)的設置。機器人追光程序如圖3.2所示IF(,斤0頤琳T右川5 TARTD*UDAlfeyEnK!町I今END F圖3.2程序流程圖實驗結果

15、分析本次實驗的機器人雖然是輪式的不是很像人但它可以通過光傳感器感應光 判斷光的強弱，向光強的方向轉彎運行，編寫的程序就相當于機器人的大腦， 光傳感器就似與機器人的眼睛，通過光傳感器的獲取信息程序來處理獲取的信 息最終按照原先設定好的程序向光強的方向運行。第四章 總結通過本次課程設計我們熟練的掌握了機器人 ID 的設置方法，并且通過對兩 足機器人的動作設計使其達到行走的效果， 我們進行了小組討論等形式， 進一步 掌握了機器人行走的工作原理， 為編寫程序提供了更清晰的思路， 通過本次試驗， 我們更加熟練的掌握了 NorthSTAR 軟件的應用，加深了對機器人學習的興趣。 本次課程讓我學到了很多東西

16、， 不僅是知識方面， 還有動手方面等。 隨著科技的 發(fā)展，機器人的應用也越來越普遍了。所以在當今對機器人的了解也是必須的。在沒接觸這門課的時候， 我對機器人并不是很了解， 慢慢的接觸之后， 我明 白了機器人是自動執(zhí)行工作的機器裝置。 它既可以接受人類指揮， 又可以運行預 先編排的程序， 也可以根據(jù)以人工智能技術制定的原則綱領行動。 它的任務是協(xié) 助或取代人類工作的。在整個設計過程中， 從組裝到調試我們都花了很長的時間， 特別是組裝。 在 組裝之前必須得想好先裝哪個部件， 如果安裝的順序錯了。 那后面的就進行不下 去了。在我們一組人員的同心協(xié)力下，我們幸好沒走多少彎路。至于編程，因為 以前我們做過類似的機器人， 所以下手比較容易， 只要對幾個舵機進行正確的調 試就可以了。這次設計讓我受益匪淺。我想無論做什么，只要有了興趣，并付諸于行動，付出了汗水，就會得到回 報，只要努力了，就一定能學會！第五章 參考文獻王建華，俞孟祺，李眾 .智能控制基礎 . 北京：科學出版社， 1998 張建民.工業(yè)機器人 .北京：北京理工大學出版社， 1998 蔡自興著.機器人學 .北京:清華大學出版社， 2000 張福學 . 機器人